“光電效應(yīng)”實驗的發(fā)展脈絡(luò)*

郝 詳**河北省教育科學(xué)研究“十二五”規(guī)劃立項課題“高中物理、生物疑難實驗的研究”的階段成果，項目編號：13040338作者簡介：郝詳(1975-)，男，中教一級，研究方向為基礎(chǔ)理論、實驗.

(河北保定外國語學(xué)校河北 保定071000)

石亞東

(保定市蓮池區(qū)文教局河北 保定071000)

摘 要：有關(guān)光電效應(yīng)的實驗是近代物理中的重要實驗之一，本文聯(lián)系物理學(xué)史，對光電效應(yīng)實驗教學(xué)進(jìn)行了反思，理清了科學(xué)史上有關(guān)光電效應(yīng)實驗發(fā)展的脈絡(luò).

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)物理學(xué)史

收稿日期：(2015-05-08)

在講授人教版教材選修3-5第17章第2節(jié)“科學(xué)的轉(zhuǎn)折”中“光的粒子性”時，教材中的插圖多、結(jié)論多，學(xué)生經(jīng)常詢問實驗方面的相關(guān)問題，常常令教師張口結(jié)舌.通過查閱相關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)實驗的發(fā)展并不是一蹴而就的，而是經(jīng)過了長期的探索、積累過程.在此，按照歷史事件的發(fā)展，進(jìn)行簡單的說明.

1887年，赫茲用實驗裝置(圖1)，觀察到放電針放電過程中產(chǎn)生的紫外線對另外一個放電針產(chǎn)生的電火花長度有影響.

圖1　赫茲研究光電效應(yīng)實驗電路圖

圖中a，e是感應(yīng)圈，感應(yīng)圈由電池組b供電，感應(yīng)圈a與放電針d相連，感應(yīng)圈e與放電針f相連，p為隔板,c為水銀開關(guān).他的代表論文為《論紫外線對放電的影響》.

1888年哈耳瓦茲用與圖2類似的裝置(其中用西門子弧光燈為光源而非紫外線燈)進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紫外線照射帶負(fù)電的鋅板時，鋅板的電荷量損失得很快；用紫外線照射不帶電的鋅板時，鋅板會帶上正電.他發(fā)表了文章《紫外線對帶電物體的影響》.這套裝置簡單、直觀，成為證明光電效應(yīng)的經(jīng)典裝置.

圖2　觀察光電效應(yīng)

由于電子發(fā)現(xiàn)在后來的1897年，所以赫茲和哈耳瓦茲所做的實驗只是揭開了光電效應(yīng)現(xiàn)象的一個角，對光電效應(yīng)發(fā)展起到關(guān)鍵作用的是德國科學(xué)家勒納德.

自1891年，勒納德對陰極射線進(jìn)行了研究，1902年發(fā)表了其研究成果，實驗使用的主要儀器是陰極射線管，如圖3所示.

圖3　勒納德研究光電效應(yīng)所使用的帶有石英窗的陰極射線管

研究光電效應(yīng)的實驗原理圖如圖4所示.

圖4　光電效應(yīng)電路圖

得到的實驗結(jié)果如圖5所示.

圖5　光電流與電壓的關(guān)系

通過分析上述實驗，可以得到光電效應(yīng)的一般實驗結(jié)論：

(1)存在著飽和電流；

(2)存在著遏制電壓和截止頻率；

(3)光電效應(yīng)具有瞬時性.

勒納德的這項研究工作，是愛因斯坦1905年發(fā)表的論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性的觀點》中的重要實驗基礎(chǔ)之一.在文章中，愛因斯坦就是以勒納德實驗觀測結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用光量子假設(shè)，建立了光電效應(yīng)基本定律.通過隨后10多年的研究，物理學(xué)家才利用更精確的實驗驗證了愛因斯坦的理論.

參 考 文 獻(xiàn)

1(美)威·弗·馬吉. 物理學(xué)原著選讀. 北京:商務(wù)印書館, 1986. 108

2錢長炎. 在物理學(xué)與哲學(xué)之間：赫茲的物理學(xué)成就及物理思想. 廣州:中山大學(xué)出版社, 2006. 599